candidato Chiara Tommasino Andreozzi matr. 518/644 relatore Ch.mo prof. Roberto ANNO ACCADEMICO 2009 / 2010 Si definisce infiammabilità o esplosività la capacità di una sostanza di essere ossidata, dando origine al fenomeno della combustione e liberando grandi quantità di energia Il dominio di infiammabilità di una qualsiasi sostanza può essere rappresentato sfruttando un diagramma di tipo triangolare, nel quale è possibile individuare una regione di infiammabilità al variare delle concentrazioni dei componenti puri: combustibile, comburente ed inerte. Diagramma triangolare di infiammabilità: combustibile Da cui la necessità, ai fini della sicurezza, di conoscere in modo dettagliato il diagramma di infiammabilità per ciascuna sostanza. comburente inerte regione di infiammabilità E’ possibile costruire punto per punto il diagramma di infiammabilità per un qualsiasi combustibile attraverso misure sperimentali, con l’impiego di un tubo di prova. Tubo di prova Generico diagramma triangolare di infiammabilità D=0,1 m H=1,5 m H combustibile UFL in O2 puro D UFL in aria LFL in O2 puro comburente LFL in aria inerte innesco in modalità Upward Determinare il diagramma triangolare di infiammabilità per ciascuna sostanza attraverso misure sperimentali richiede: • un notevole dispendio in termini di tempo • impiego di ingenti risorse economiche Le informazioni fornite dai diagrammi triangolari di infiammabilità sono indispensabili per le aziende ai fini della sicurezza nella manipolazione di miscele di combustibili generici. Nasce l’esigenza di investigare metodi alternativi di tipo non sperimentale al fine di determinare il diagramma triangolare di un generico combustibile a partire dalle conoscenza delle proprietà chimico-fisiche del medesimo. OBIETTIVO DELLA TESI L’obiettivo della presente tesi è acquisire una metodologia che consenta di individuare in maniera affidabile la regione di infiammabilità per un sistema ternario: combustibile , ossigeno, azoto. CRITERI PROPOSTI Adotteremo i seguenti tre criteri al fine di verificare la loro attendibilità, applicandoli a combustibili gassosi ampiamente impiegati a livello industriale: 1. Valore soglia della temperatura adiabatica di fiamma pari al relativo valore in corrispondenza dei limiti di infiammabilità del combustibile in aria 2. Valore soglia della temperatura adiabatica di fiamma pari a 1200°K 3. Costruzione grafica approssimata a partire da 5 punti noti del diagramma di infiammabilità. I primi due criteri sono di tipo termico ed adottano differenti valori di soglia della temperatura adiabatica di fiamma. E’ importante sottolineare che, nel determinare ogni punto del diagramma di infiammabilità, abbiamo considerato per ciascun criterio termico un’approssimazione massima della temperatura adiabatica di fiamma di 50°K rispetto al valore fissato. L’ultimo criterio è di tipo grafico e ricostruisce in modo approssimativo la regione di infiammabilità. Una grandezza importante per effettuare considerazioni di tipo termico per le reazioni di combustione è la temperatura adiabatica di fiamma. Si definisce temperatura adiabatica di fiamma la temperatura raggiunta dal sistema alla fine della reazione di combustione nell’ipotesi che siano impediti scambi di energia con l’ambiente esterno. Distinguiamo due tipologie di temperatura adiabatica di fiamma: • a pressione costante • a volume costante Nei calcoli effettuati abbiamo fatto riferimento a valori della temperatura adiabatica di fiamma calcolati a pressione costante. Per la determinazione del valore della temperatura adiabatica di fiamma si è utilizzato uno degli innumerevoli programmi di calcolo disponibili, quale Gaseq (scaricabile dal sito www.c.morley.dsl.pipex.com). Gaseq è un programma MS Windows-based con una interfaccia di MS Excel. E’ utilizzabile per effettuare calcoli di equilibrio relativi ad un processo di combustione, fissate le condizioni iniziali del sistema. INTERFACCIA GRAFICA DEL PROGRAMMA GASEQ tipo di trasformazione reagenti numero moli dei reagenti temperatura adiabatica di fiamma COMBUSTIBILI SCELTI • METANO 1° criterio e 2° criterio - Imposizione di un valore soglia per la temperatura adiabatica fiamma 3° criterio - Costruzione grafica a partire da 5 punti • PROPANO 1° criterio e 2° criterio - Imposizione di un valore soglia per la temperatura adiabatica fiamma 3° criterio - Costruzione grafica a partire da 5 punti • IDROGENO 1° criterio e 2° criterio - Imposizione di un valore soglia per la temperatura adiabatica fiamma 3° criterio - Costruzione grafica a partire da 5 punti • ETILENE 3° criterio - Costruzione grafica a partire da 5 punti Applichiamo i 3 criteri esposti ai suddetti combustibili gassosi. METANO 1° criterio - Temperatura adiabatica di fiamma di soglia posta pari alla medesima calcolata in corrispondenza dell’LFL ed UFL Legenda: UFL LFL = 5,0% → Td = 1433,3 °K UFL = 15% → Td = 1751,6 LFL °K Tale criterio è a svantaggio di sicurezza per il metano METANO 2° criterio - Temperatura adiabatica di fiamma di soglia posta pari a 1200°K Legenda: Tale criterio non rispecchia la regione di infiammabilità per elevate concentrazioni del combustibile nel caso del metano Supponiamo di adottare il secondo criterio abbassando leggermente il valore della temperatura adiabatica di fiamma per aumentare l’ampiezza della regione di infiammabilità METANO Temperatura adiabatica di fiamma di soglia posta pari a 1100°K Legenda: Il risultato si discosta non in modo significativo dal precedente METANO Temperatura adiabatica di fiamma di soglia posta pari a 900°K Legenda: Occorre abbassare notevolmente il valore soglia della temperatura adiabatica di fiamma per ottenere un risultato conservativo in termini di sicurezza METANO 3° criterio – Costruzione grafica con 5 punti Legenda: 2 3 1 5 4 L’impiego di un criterio di tipo grafico mostra risultati migliori rispetto ai casi precedenti per il metano APPLICAZIONE DEI CRITERI AGLI ALTRI COMBUSTIBILI Applicando i 3 criteri agli altri combustibili quali propano, idrogeno ed etilene abbiamo ottenuto risultati congruenti con quelli determinati nel caso del metano. L’unica metodologia, tra quelle proposte, affidabile nell’individuazione della regione di infiammabilità è il criterio di tipo grafico 2° criterio - PROPAN Temperatura adiabatica O di fiamma di soglia posta pari a 1200°K Legenda: Rispetto al caso del metano, il discostamento tra i risultati ottenuti applicando il criterio ed i dati sperimentali è considerevolmente maggiore per il propano IDROGENO 2° criterio - Temperatura adiabatica di fiamma di soglia posta pari a 1200°K Legenda: A differenza dei risultati ottenuti per gli idrocarburi, nel caso dell’idrogeno tale criterio non rispecchia in modo conservativo il confine inferiore della regione di infiammabilità PROPAN 3° criterio – Costruzione grafica con 5 punti O Legenda: La costruzione grafica si sovrappone quasi completamente alla curva sperimentale per il propano IDROGENO 3° criterio – Costruzione grafica con 5 punti Legenda: La costruzione grafica mostra risultati conservativi per basse concentrazioni di ossigeno nel caso dell’idrogeno ETILENE 3° criterio – Costruzione grafica con 5 punti Legenda: Anche per l’etilene, il criterio di tipo grafico rispecchia in maniera affidabile la regione di infiammabilità determinata sperimentalmente CONCLUSIONI • L’adozione di un criterio di tipo termico non dà risultati conservativi, ad eccezione dell’idrogeno, nei casi analizzati • L’utilizzo della costruzione grafica approssimata è affidabile nell’individuazione della regione di infiammabilità per tutte le specie considerate • Essa è tra l’altro una metodologia semplice e comporta unicamente la conoscenza di dati in genere disponibili sulla sostanza di interesse